一、项目背景
1.政策背景
2021年9月26日，工业和信息化部、教育部联合印发了《关于组织开展“5G+智慧教育”应用试点项目申报工作的通知》。 育苗营养块
5G作为新一轮科技革命和产业变革的代表性、引领性技术，是支持未来经济社会发展的战略资源和公共基础设施，加快5G与千行百业深度融合，更好地发挥5G效能，是促进经济社会数字化、网络化、智能化转型的重要引擎。在相关部门和产业各方共同努力下，我国5G发展已取得积极成效，已加速步入5G应用规模发展的新阶段。教育作为国之大计，是民生重点关注的领域，加强5G与教育融合创新应用，对推动教育模式变革、提高教育质量、促进教育公平具有重要意义。
教育部等六部门发布《关于推进教育新型基础设施建设构建高质量教育支撑体系的指导意见》，提出要深入应用5G等新一代信息技术，推动教育数字转型、智能升级、融合创新；工
业和信息化部联合九部门出台《5G应用“扬帆”行动计划（2021-2023年）》，明确将“5G+智慧教育”作为重点应用领域之一，提出了“打造100个以上5G应用标杆”的任务目标。开展“5G+智慧教育”应用试点，可以推动产业链各环节协同创新，形成一批技术先进、效果明显的5G与教育教学融合的典型应用，探索可复制推广、可规模应用的发展模式，为推动“5G+智慧教育”应用从“样板间”走向“商品房”提供经验，为教育高质量发展提供新时代发展路径。5G全息互动教学云服务平台顺应了政府政策要求。 5G与教育领域的深度融合，为5G开辟了更广阔的发展空间，对5G产业发展具有积极推动作用。一是带动校园5G网络建设，全国共有各级各类学校超过53万所，高质量校园网络建设升级需求旺盛，特别是人口比较密集的高校等需要加强5G重点覆盖和5G虚拟专网建设。二是推动面向教育的5G产品研发，丰富具备5G通信能力的AR/VR设备、智能教育硬件等融合类产品供给。三是推动行业龙头企业、科研院所、高校等开展教育领域5G应用关键技术联合攻关，解决制约行业应用复制推广的技术瓶颈。
建设5G全息互动教学云服务平台，进行沉浸互动式学习，能够激发学生学习兴趣、提升学习能力；通过5G空中课堂，可以突破空间限制使不同地区学生共享优质教育资源；利用5G智慧家校平台，可以在学校、老师、家长之间搭建便捷沟通桥梁。 2.技术背景信号调理模块
另一方面在智慧教育背景下，使传统教学方式发生改变，逐渐呈现出全互动教学、多样化教学的现状，而且在新型教育载体背景下，智慧教育的内容不断完善，这给提升课堂教学质量产生深远意义和影响。
当前，基于智慧教育背景的全互动教学改革中，仍然存在许多问题和不足，还需要在了解其问题的基础上，合理探究基于智慧教育背景的全互动教学改革策略。其中基于智慧教育背景的全互动教学改革问题，主要从以下几方面呈现出来，第一，缺乏智慧全互动教学理念。目前，在智慧教育背景下，虽然很多学校采用全互动教学的方式，提升课堂教学质量，但仍然存在部分学校缺乏对智慧全互动教学认知的问题，未能结合智慧教育理念和全互动教学特征，加强传统课堂教学方式改革。在全面落实全互动教学改革等方面存在不足，进而造成课堂教学仍然存在传统应试教育彩，注重学生理论知识灌输，缺乏与学生之间的智慧教育和互动教学，这给提升课堂教学效果产生不利影响。
同时，部分学校还缺乏基于智慧教育的全互动教学设施、技术等，未能充分运用大数据技术、云计算技术、信息技术推动智慧教育工作的全面发展，在发挥互联网+优势和作用等方
面存在不足，进而造成全互动教学效果不理想，全互动教学在有效落实和实施过程中存在弊端。第二，全互动教学模式单一。
在新课程改革背景下，智慧教育理念的提出是为改善传统课堂教学方式，培养学生创新能力和学习能力。当前基于智慧教育背景的全互动教学改革中，仍然存在教学方式相对单一和落后的问题，教师还是以自我为中心向学生灌输式的讲解理论知识，未能结合智慧教育信息化、数据化的特点，完善智慧教育模式;教师与学生之间在互动和交流等方面存在问题，其也没有通过与学生共同创建全互动教学平台、教学软件等形式，加强教学资源共享和分析，从而使智慧教育背景下的全互动教学改革形式相对单一，难以激发学生参与课堂学习的积极性和主动性，还会影响全互动教学改革工作的有效发展。第三，智慧全互动教学内容落后。在智慧教育背景下，全互动教学改革工作需要在创新传统课堂教学模式的基础上，合理整合与优化学员互动教学内容，采用将网络教学资源与传统课堂教学资源有机融合的方式，丰富学生学习的知识面和文化视野，这样也能让学生积极主动地参与到课堂学习当中，发挥学生课堂学习的主观能动性。当前全互动教学缺乏对多样化教学资源的应用，也未能充分运用大数据、信息技术挖掘多样化的网络教学资源和学习内容，其教学内容还是以传统课本知识为主。学生被动地接受教师所讲授的相关内容，缺乏参与全互动教
学的积极性和主动性
3.建设目标
全息远程互动教室（以下简称全息教室）的建设，将能帮助学校实现一下几点主要功能：
1)采用5G公共专网或校园专网，兼容各类型网络的接入，方便实现各类拓展功能；
2)实现1名老师可以“全息虚拟分身”至另外一个教室进行同步的课堂教学，意味着老师可以借助全息教室实现一个人同一时间不同地点教学同一堂课程。
3)虚拟三维交互授课，全息教室能够支持对三维模型的全息显示，老师在授课过程中直接调用三维模型，即可同步以全息的形态同老师同屏出现，结合授课要求老师可以对模型进行旋转、拆分、放大、移动等操作。为老师提供了三维课件编辑平台，支持模型导入、编辑制作、保存、以及授课调用，老师可以通过平台上传学校现有模型资源、或者借助平台自己编辑制作，以供上课时使用。
4)PPT同步教学，老师出了全息虚拟穿越意外，还支持老师的PPT课件异地同步呈现，老师课件上的一举一动都能够同步显示。
5)授课监视平台，支持老师监视观察全息虚拟老师所在教室的画面（学生听课场景）；支持老师监视观察全息虚拟分身在教室上的实时画面（虚拟老师授课场景）。
6)系统控制，全息教室为老师提供了一键式中央控制功能，老师上课开启系统，点击“授课”即可实现全息远程互动授课，无需助教。其中配套的音响系统、灯光、电子信息设备都能实现一键控制。通过一键操作，即可切换不同的教学模式：全息远程授课、全息三维交互授课、全息实时存储授课、全息本地播放授课等功能。
7)全息教室标准化全息呈现空间区域为4m*2.4m，支持真人大小1:1，写实，具有裸眼3D视觉的人物显示；人物显示清晰逼真，动作连贯无卡顿。
8)全息教室系统平台具有良好的兼容性和扩展性，如有需求可以简单设置即可扩展多间全息教室，来实现多项的全息远程互动授课。
9)学生在观看全息老师授课时，能够看到一个逼真的1:1大小的3D虚拟的老师，也能看到三维虚拟的教学模型，能够看到老师在黑板上的板书内容，在全息显示两侧，能够看到老师的课件PPT。
10)全息教室解决了光线要求，在不影响全息虚拟老师观看清晰度的同时，保障了学生听课区域的灯光环境，确保不影响学生正常的笔记书写、课本阅读。
11)全息老师教学场景的采集与图像处理，均支持在自然教学背景环境下完成，支持老师的板书、老师教学图像、音频、PPT课件的同步采集。整个采集到还原延时≤350ms，实现真正的低时延互动教学。
二、方案介绍
1.总体方案说明
92gan全息远程互动教室是全息技术在教学领域的创新型应用成果，主要借助全息实时采集、全息图像实时处理技术、全息成像还原、数据编解码压缩技术，通过网络系统连接教室，将正在授课的老师画面全息采集实时同步传输至全息还原教室以全息的形式进行呈现，与此同时老师的三维课件或者PPT课件也同步呈现展示，最大程度的还原老师常规上课场景。此外系统方案还加入了全息授课实时录制、全息课堂点播、全息三维交互等教学功能。
2.关键功能设计
2.1采用全息三维显示方式实现教学方式创新
项目要求采用LED面板作为光源结合高透光率的分光光学材料为主体，在三校区的全息还原教室中实现具有高真实度、具有强烈裸眼立体感的人像视觉效果，并满足在室内自然照明条件下的清晰成像。通过与采集端教室的连接，将老师的虚拟人像按1:1的视觉比例复现在远端的还原教室中，其他教学资源按不同路径显示在对应媒介中。
2.2基于现有网络环境实现远程实时传输
远程教学对传输时延具有强制性要求，本地采集端教师在与远端学生会话时，不能出现明显的视觉听觉延迟以至影响教学效果。鉴于投入5G专网成本过高，采用云服务方式则稳定性方面存在不确定性，因此项目要求在现有网络条件下，进行网络配置与部署。
2.3最大化利用教室功能，一室多用
学校教室空间资源紧张，因此在教师设计改造方案上，要实现所选址教室既能满足全息教学需求，同时也能开展常规教学，二者不能产生明显冲突。在系统设计过程中，老师的固有授课习惯不得产生过多约束，以免降低系统的适用性和使用率。
金刚石研磨膏2.4采集教室保留黑板板书，采用自然背景
黑板板书是教师授课不可或缺是教学形式，因此三个校区的采集教室的前讲台位置，需保留标准尺寸的黑板供板书使用，在全息授课时，教室人像与板书共同传输并复现在远端教室中。
2.5实现虚拟场景下的师生实时会话
全息远程授课场景下，在实现虚拟教师的1：1还原的基础上，需能够满足教师在授课过程中与远端学生进行实时的会话，一方面可显著提升学生的专注力和转化效率，另一方面也增强了虚拟授课的临场感。
2.6实现教学资源的数字化存储和便捷调用
绝对值角度编码器在本项目中，全息课程需要具备实时存储的功能，可以实现特定重点课程和跨域公开课的全息数字化。经数字化处理后的课程可积累成为学校的数字课程资产，在满足标准的全息课堂终端中可无限次复现，能极大方便后续学生的重复学习，同时可开展学校与他校的校际间交流。
2.7引入虚拟引擎技术实现三维交互式教学
三维全息交互教学是本项目的亮点，系统需搭载专用引擎，支持USDZ、GLB、FBX、OBJ、GLTF2、STL、PLY、3MF格式模型的实时渲染，通过体感终端，授课教师可对模型进行即时的操作与交互，同时三维的交互结果与教师的虚拟影像呈现在同一个空间和视场内。系统也支持师生按标准自主创建的模型格式，由此推动二维教学向三维超现实教学的过渡与演进。
3.系统架构
基于尽可能的还原日常教学场景的架构思路，分为全息采集、全息还原、智慧教学控制中心、数据传输四大架构。全息数据还原采用云视图研自研专利设计，在三维人像全息还原的能力全国领先。在数据传输中持续不断的迭代演进，基于点对点通讯框架，已经完成从对5G公网的依赖转为传统网络即可满足的技术支撑，网络设计广泛性支持了客户在不同业务需求和便于定制化的扩展
全息远程智慧教学支持点对点、点对多、点对N的部署模式。支持一个采集中心+多个全息还原课堂部署架构，采集中心服务器负责到个还原点分站实时全息数据传输，各分布的还原点由采集中心点同意实施运维管理。
太空风洞采集中心具备数据实施存储、上传云平台，不同分点可以远程访问采集中心，结合特殊需求，可以逆向访问。平台支持SRT互联网点对点传输，支持Caller/Listener/Rendezvous三种传输模式，实现轻量化数据快速分发，数据收发时延<300ms。
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